表層地球系統由土壤圈、大氣圈、水圈、生物圈與巖石圈組成。這四個組成部分并非獨立單元，而是由擾動-反饋機制串聯在一起的有機整體。因此表層地球系統的行為不是單一組成部分變化的直接結果，而是由四個組成部分協同作用后的狀態。基于獨立組成部分的單學科，即土壤學、大氣科學、水科學和生物學等，經過兩個世紀的發展以經使得我們對表層地球系統各組分的狀態有了深刻的認識，但在應對人類活動引起的全球環境變化的新挑戰時無法全方面描述表層地球系統的整體動態和行為從而顯示了其局限性。因此，2001 年地球科學家提出一個表層地球過程的系統科學框架，即地球關鍵帶科學。地球關鍵帶是高度異質性的近地表環境，垂直方向的范圍從樹的冠層往下直到地下水深層（圖1）； 

 

 

 

巖石、土壤、水、空氣和生物在其中發生著復雜的相互作用，其在調控自然生境的同時，還供應著經濟社會發展所需的資源。因此，地球關鍵帶對維持地表生命非常重要，這就迫切需要包括地理學、地球化學、生態學、地質學、土壤學、環境科學等多學科領域專家的協作研究來推動對關鍵帶科學的理解和應用以維持人類生存發展與星球健康，這也是國際地學界提出地球關鍵帶概念的意義所在。 

 

 

 

 

地球關鍵帶科學研究的核心科學問題包括：不同時間尺度上控制碳、懸浮粒子和反應氣體的流動是哪些過程？人類與地質時間尺度上如何滋養生態系統？生物地球化學過程如何掌控水與土壤資源的可持續利用？物理和化學風化過程的變異如何影響關鍵帶？這些問題的解決均依賴于對地球關鍵帶的結構、組成和功能的認識。關鍵帶中發生著復雜的物理、化學和生物過程，按照其性質與作用，這些過程大致可分為三類：生態過程、生物地球化學過程和水文過程。生態過程是生態系統中維持生命的物質循環和能量轉換過程，主要研究土壤—生物—大氣中的水循環和水平衡、養分循環、能量、微量氣體產生、輸送和轉化、有機物及金屬元素的分解、積累、傳輸等微觀過程。由于人類活動對生態過程的影響越來越大，人類活動可被看作是生態過程的一部分。生物地球化學過程將生物過程與非生物過程聯系在一起，通過流體、沉積和氣體作用，使碳、氮等化學元素和物質在空間上的分布發生變化，重點研究各種化學物質的來源、存在數量和狀態以及遷移轉化規律，以及生物有機體參與下發生的地球化學過程。水文過程是通過水分運移轉化使物質和能量在空間上重新分布的動態過程。生物地球化學過程和水文過程相互耦合，推動了生態過程的持續進行，又共同決定了關鍵帶的整體形態和功能。因此，闡明關鍵帶的生態過程、生物地球化學過程和水文過程需要對不同介質（相）之間的微觀時空尺度界面過程開展研究，這也是地球關鍵帶科學研究的重要抓手，對于闡明地球關鍵的結構、組成和功能具有重要意義。 

 

界面過程與土壤圈演化研究中心針對以土壤為核心、界面為特征的地球關鍵帶開展系統科學研究。研究的核心科學問題是物質（如硅鐵砷鉛）和能量（如電子）在土壤中礦物-水-生物界面（圖2）上的轉移過程以及所形成產物（如次生礦物）。 

 

 

 

發展定位 

 

聚力搭建界面過程可視化的世界一流研究平臺，達成在毫米至納米尺度的二維和三維成像，實現對界面時空動態過程的 “眼見為實”；著力招聘微尺度建模和生物-氧化還原探究等研究領域的優秀人才，完善師資隊伍建設，補缺人才短板；致力壯大研究群體，豐富學生學習經歷，提升向社會輸出人才質量。 

 

中心使命 

 

以微界面和微過程為研究對象，以物理化學基本原理（如熱力學和化學動力學）為手段，借助先進的研究儀器平臺，通過與院內其他研究方向團隊（如同位素，地氣過程，水文）的合作，為理解全球變化背景下的關鍵帶科學、生物地球化學循環及生態系統功能和服務的可持續利用策略提供基礎科學支撐。

 

組織結構

 

中心主任：滕輝 

 

中心副主任：宋照亮、余光輝 

 

中心成員：滕輝、宋照亮、余光輝、陳春梅、管冬興、王鉞博、郝倩、李云帥、張堅超、孫少波、朱翔宇、孫富生

 

研究方向

 

（1）地球關鍵帶物質循環的微界面調控機制及其對生態環境變化的制約；  

 

（2）微生物-礦物協同演化規律與土壤發生發育微觀機制；  

 

（3）土壤微界面溶質運移的動力學特征與數理模型建立； 

 

（4）地球關鍵帶元素耦合的生物地球化學循環與區域和全球變化響應。

 

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